Виникнення напружень у оптичному склі від термоелектричного впливу електронного потоку Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Сыротюк А.М. Особенности коррозионного питингообразования на металлических поверхностях при циклическом нагружении

Методом сканирующего электрохимического зонда исследованы особенности коррозионного питингообразования на циклически деформированной поверхности нержавеющей стали 08Х18Н12Т. Показана возможность инициирования питингообразования циклическими напряжениями на поверхности, которая интегрально находится в пассивном состоянии, то есть тогда когда отсутствуют условия реализации этого процесса за классическим электрохимическим механизмом.

Ключевые слова: нержавеющая сталь, циклическое нагружение, электрохимическое растворение металла, локальные коррозионные повреждения, питинг, плотность тока коррозии.

Syrotiuk А. Specificity of pitting corrosion on metal surfaces under cyclic loading

The specificity ofpitting corrosion on cyclically deformed surface of stainless steel 08Х18Н12Т was studied by the scanning electrochemical probe technique. It has been shown that the cyclic stresses can induce the pits nucleating process on electrochemically passive surface, i.e. under conditions when this process cannot be realised according to classical electrochemical mechanism.

Key words: stainless steel, cyclic loading. electrochemical dissolution of metal, local corrosion damages, pit, corrosion current density.

УДК 681.51:621.9.048

Д-р техн. наук Г. В. Канашевич Черкаський державний технолопчний уыверситет, м. Черкаси

ВИНИКНЕННЯ НАПРУЖЕНЬ У ОПТИЧНОМУ СКЛ1 В1Д ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО ВПЛИВУ ЕЛЕКТРОННОГО ПОТОКУ

Визначено характер залишкових напружень у поверхневому шарг (ПШ) пластин з оптичного скла К8, як виникають у результатi термоелектричного впливу при електронно-променевш обробц поверхт. Залишков1 напруження у поверхневому шарi оптичного скла е характерним результатом термоелектричног дИ потоку електронiв на матерiал (як приутворент рiдкоi фази у ПШ, так i без нег). Показано, що мщтсть модифжованого ПШ скла з залежить вiд режиму охолодження. Механiзм залишкових напружень використано для спрямованого вiдшаровування дшянок модифжованого ПШ у виглядi пластин необхiдноi форми.

Ключовi слова: електронно-променева обробка, оптичне i технiчне скло, поверхневий шар, шорстюсть поверхт, яюсть поверхт, глибина проплавлення, залишковi напруження.

Вступ

У попереднДх роботах [1-3] показано, як електрон-ний потДк з низькими енергДями електронДв (Е < 10 кеВ) використано для покращення оптичних власгивосгей поверхневого шару (ПШ) оптичного скла на глибину до 2 мкм за рахунок термДчно! i електрично! ди на спо-луки №20 та K2O. Покращеш характеристики поверхт оптичного скла (зменшення нанорельефу поверхнД, рафДнування за хiмiчним складом, усунення мДкро- i нанодефекпв) досягаються електронно-променевим полiруванням [2] з переплавленням ПШ при температурах 1200... 1300 °С на глибину до 160 мкм.

Проте електронним потоком можна досягти й iнших результата при поверхневДй обробцД оптичних матерД-алДв. ОскДльки оптичне скло вДдностъся до матерiалiв з низькою теплопровiднiстю, у його ПШ вДдбуваеться

© Г. В. Канашевич, 2013

накопичення та змДна внутршньо! енерги, у тому числД за рахунок локального наведення електронним потоком градiенIу температур. Така енергДя трансформуеть-ся у внутрiшнi напруження матерiалу при його охолод-женнД, як1 е небезпечними i можуть призвести до вик-ривлення виробу або його руйнування.

ПодДбного роду з 'являються напруження у ПШ пластин з натрДе-кальщево-силшатного скла внаслвдок низь-котемпературного йонного обмДну йонiв Na+ на йони Ка+ [4, 5]. Цд напруження е стискувальнД, вони призво-дять до викривлення пластини без И руйнування Д виникають у результат охолодження.

Для подальшого вдосконалення ще! технологи [3, 6-9] вкрай важливими е питання визначення причи-ново-наслДдкових зв'язкДв мДж залишковими напружен-нями в матерДалД Д основними параметрами процесу.

Мета роботи. Визначення характеру залишкових на-пружень у модифiкованому ПШ пластин з оптичного скла, встановлення причин i взаемозв'язку з параметрами електронно-променево! обробки.

Обладнання, MaTepiara та iHCTpyMeHT електронно-променевоТ обробки

Обладнання. Електронно-променева установка, яка виготовлена на базi вакуумно! установки УВН74-П3 оснащена пiччю попереднього на^ву та охолодження скла. Електронний термопарний регулятор температу-ри РИФ-101 (Феодов, Укра!на) забезпечуе необхвдний температурний профiль печi з точшстю ±1°С. Максимальна робоча температура на^ву печi 800 С. Ме-ханiзм перемiщення забезпечуе рух пластин в об'eмi вакуумно! камери зi швидк1стю 0.. .20 см/с, залишковий тиск у вакуумнiй камерi становить 10-4 Па. Полярископ-поляриметр ПКС-250 для визначення та вишрюван-ня залишкових напружень у прозорих матерiалах.

Об 'ект обробки. Плоскопаралельнi, яш мають форму дисков ^аметром 20,0 мм i товщиною 1; 4; 6 мм) з вiдполiрованими поверхнями (Rz = 0,025 мкм); прямо-кутнi пластини з оптичного скла К8 лiнiйних розмiрiв 70 х 14х 6 мм з вщтшрованими плоскопаралельними поверхнями та боковими поверхнями, яш виrотовленi в умовах оптичного виробництва (Rz = 0,025 мкм).

1нструмент обробки. Стрiчковий електронний полк

питомо! потужносп 101 Вт/см2 < Pnum < 105 Вт/см2, який

генеруеться електронно-променевою гармата Шрса [3, 10], яка розташована у вакуумнш камерi. Електронна стрiчка може перемшуватися по поверхнi виробу зi швид-

к1стю ипот = 0...20 см/с, Ь - ширина стрчки 0,5.. .3 мм.

Оlриманi результата та к обговорення

Мiкрообробка ПШ оптичного скла проводилася за схемою, рис. 1.

Технологiчнi параметри мiкрообробки забезпечу-ють модифiкування ПШ пластини на глибину 2 мкм (без утворення рщко! фази) на глибину до 160 мкм (з про-плавленням - утворення редко! фази). Сформований ПШ вiдрiзняеться вiд основного матерiалу структурою, хiмiчним складом, оптичними властивостями, м^оге-ометрiею. Оплавлення пластин здiйснюеться як без за-хисних елементiв, так iз з захисними елементами (тонких, товщиною до 1 мкм, металевих плiвок А1, Си, як1 отримаш на поверхнi термовакуумним осадженням та з'емних пластин N1 товщиною 100 мкм). Охолодження е шнцевою стащею температурно! обробки.

У результатi термоелектричного впливi у потоку на поверхню пластини скла можна видiлити два !! харак-терних типи руйнування: руйнування по товщиш пластини i руйнування (вiдшарування) ПШ. Руйнування пласти по !! товщиш ввдбуваеться у вакуумнш камерi при великш потужностi потоку, рис. 2, а, або при великш швидкостi охолодження - руйнування ПШ, рис. 2, б.

F(x,0,t)

-За -а +а +3 а

. Ьпот = 6а .

Рис. 1. Схема мжрообробки ПШ пластини з оптичного скла рухомим стр1чковим електронним потоком (а) та енергетичний профшь електронного потоку (б): F(x, у, z, t) - розподш теплового потоку вщ дй електронно! стр1чки; Ln(z, t, 7) - розподш теплового потоку з поверхш матер1алу у вакуум, обумовлений летюстю розплаву; I - довжина зони терм1чно! дй потоку; Ь -ширина зони терм1чно! дй потоку; 6ст - ширина енергетичного профшю на поверхш пластини; ¥п - швидюсть руху електронно! стр1чки по поверхш пластини

Рис. 2. Характерне руйнування пластин з1 скла К8 у камер! установки вщ дй стр1чкового електронного потоку (а) та при прискореному охолодженш (б): а - скло К8, товщина 1 мм, д1аметр 20 мм, Рпит i 5103 Вт/см2, Упот < 1,5 см/с; Т0 = 400 °С; б - скло К8, товщина 6 мм, дiаметр 20 мм, Р = 5103 Вт/см2, V = 1,5 см/с; Тп = 400 °С

7 ^ ' ^ * 7 пит 7 пот 7 7 0

ISSN 1607-6885 Новi матерiалu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013

53

ВДдшарування ПШ вДдбуваеться й пДсля оптималь-них режимДв термоелектричного впливу, але шщшвати його можна прискореним охолодженням. При цьому ПШ руйнуеться, як по дефектах у поверхнД (наявнДсть дефектного шару вДд механДчного шлДфування Д полДру-вання в у мовах оптичного виробництва), так Д по гра-ницД, яка вДддДляе оплавлену Д неоплавлену зони пласти-ни. Таким чином, ми маемо лускоподДбний характер вДдшаровано! поверхнД, рис. 3.

Рис. 3. Руйнування у вакуумнш KaMepi незахищених частин поверхш пластин з оптичного скла К8 тсля !х електронно-променево!' обробки в оптимальному peжимi (Р = 2102 Вт/см2, Т0 = 510 °С, V = 2,7 см/с) потоку

v пит ' 0 ' пот 7 ' :

та подальшого прискореного охолодження ((V' > 10 °С/с)

Для незруйнованих пластин, обробка яких прово-дилася в оптимальних режимах, а охолодження протя-гом 8 годин, встановленД зони Дз залишковими напру-женнями (використано метод поляриметри, прилад ПКС-250). На рис. 4 представлена одна з таких прямо-кутних пластин у поляризованому свил (а) та схема з розподДленими у нДй залишковими напруженнями (б). Свило проходить через бокову грань пластини (а). Мак-симальним напруженням, з рДзницею ходу променДв у 275 нм (жовтий колДр), вДдповДдають незахищенД маскою поверхнД.

130 нм

Поздовжня грань

275 нм металева маска

б

Рис. 4. Загальний вигляд пластини зД скла К8 прямо^то! форми з картиною подвшного променезаломлення (а) та вщповщна !й схема з зображенням зон Д величин напружень (б). Прилад ПКС-250

Напруження залишаються у пластинах Д тсля три-валого охолодження протягом 12 годин, рис. 5. ЦД напруження, як Д попереднД, можна пояснити змДною щшьносп структури ПШ внаслДдок десорбцп слабко-зв'язаних йонДв №+, К+ з ПШ у вакуум, що тдтверд-жуеться роботами.

б

Рис. 5. Картина подвшного променезаломлення у прямо-

кутних пластинах зД скла К8, поверхня яких оброблена електронним потоком через з'емну маску N1 (а) та через напилену тонку плДвку N1 (б). Час охолодження 12 годин

Впливаючи на ПШ у напруженому станД швидкДстю охолодження (враховуючи марку скла, режим мДкро-обробки), досягаемо Дншого результату - вДдшаруван-ня поверхонь за необидною формою, рис. 6.

Рис. 6. Вщшароваш ПШ вДд пластин рДзно! форми зД скла К8 тсля електронно-променево!' мжрообробки: а - кругла пластина дДаметром 20 мм, товщиною 4 мм; б - прямокутна пластина 70 х 14 х 4 мм

Отже, в результат термоелектричного ди потоку електронДв з енергДями Е < 10 кеВ на пластину з силДкат-ного скла його ПШ, незважаючи на довготривале охо-лодження, залишаеться в напруженому стат. Напру-жений стан ПШ призводить до змДни показника залом -лення для поляризованого свила. Це явище можна використовувати для спрямовано! змДни оптичних вла-стивостей та отримання градДентних структур в оптич-ному склД.

Картина залишкових напружень пластин з вДдшаро-ваними поверхнями представлена на рис. 7.

На рисунку видно, що напруження в пластинах практично вДдсутнД, що можна пояснити вивДльненням на-копичено! ПШ енерги при вДдшарувант.

Таким чином, отриманД результати дозволяють роз-ширити ДснуючД технолопчт можливосп термДчно! електронно-променево! обробки аморфних матерДалДв Д ви-користати електронний потДк стрДчково! форми як шструмент для мДкрообробки поверхш та вДдшаруван-ня модифДкованого ПШ. Розвитком цДе! роботи буде по-

а

а

шук фiзичних умов створення наноструктур на поверхт i у ПШ оптичного матерiалу з використанням термо-електричного впливу електронного потоку. Сфера зас-тосування: приладобудування, мiкрооптика, наноопти-ка, волоконна оптика.

Рис. 7. Вщшароваш поверхш та картина !х напружень у поляризованому св1тл! Прилад ПКС-250, кругл пластини (19), прямокутш (20)

Висновки

1. Залишковi напруження у поверхневому шарi оптичного скла е характерним i невiд'емним результатом термоелектрично!' ди потоку електрошв на матерiал (як при утворенш р^дко! фази у ПШ, так i без не!). Причиною !х виникнення можна вважати процес структурно! перебудови поверхневого шару в умовах високих температур (1250.1300 °С), що обумовлений змiною в'яз-косп вiд твердого стану до редкого i навпаки та стимуль-ованою електричним полем десорбцiею як слабкозв'я-заних йонiв-модифiкаторiв Na+, К+ у вакуум так i iнших домшок, як1 потрапили в ПШ у процеа виготовлення пластин.

2. До основних параметрiв впливу, якими можна змшити напружений стан ПШ скла належать електричн параметри електронного потоку: струм потоку ¡пот, прискорювальна напруга Ппот та час його дi! на повер-хню /обр або швидшсть руху потоку по поверхт пластини V .

пот

3. Шцшсть щеплення модифiкованого електронним потоком ПШ скла з основним матерiалом залежить вiд режиму охолодження. Спрямоване вiдшаровування модифiкованого ПШ у виглядi пластин необх1дно! фор-ми вщ основного матерiалу реалiзуеться при його про-

плавленнi на глибину 30.160 мкм, iнiцiюеться термоударом i ввдбуваеться по границi, яка ввддшяе зону мак-

симальних напружень ПШ i основного матерiалу.

Список Лтератури

1. Канашевич Г. В. Термоелектричний вплив низькоенер-гетичного електронного потоку на дефектний шар оптичного скла / Канашевич Г. В. // Вюник НТУУ «КШ», Сер1я Приладобудування. - Вип. 45. - 2013. - С. 123130.

2. Канашевич Г. В. Дослщження поверхневого шару оптичного скла тсля електронно-променево! обробки / Канашевич Г. В. // Надшнють шструменту та оптим1за-щя технолопчних систем : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2013. - Вип. 32. - С. 237-244.

3. Канашевич Г. В. Превращения в поверхностном слое оптического стекла и фотопластин из силикатного стекла от действия низкоэнергетического электронного потока / Канашевич Г. В. // Ежемесячный междисциплинарный теоретический и прикладной научно-технический журнал «Нано- и микросистемная техника» (Россия). Рубрика: Материаловедческие и технологические основы МНСТ, 2008. - № 10. С. 28-30.

4. Глебов Л. Б. О возникновении напряжений в стекле в процесе низкотемпературного ионного обмена / Л. Б. Глебов, Н. В. Никоноров, Г. Т. Петровский // Физика и химия стекла. - 1988. - Т. 14. - № 6. — С. 904906.

5. Напряжения изгиба, возникающие при ионнообменной диффузии в стеклах / [М. В. Бабукова, Л. Б. Глебов, Н. В. Никоноров, Г. Т. Петровский] // Физика и химия стекла. - 1985. - Т. 11. - № 1. - С. 45-49.

6. Дудко Г. В. Формирование предельно гладких поверхностей оптических стекол / Дудко Г. В., Кравченко А. А., Чередниченко Д. И. // Физика и химия стекла. - 1987. -Т. 13. - № 5. - С. 740-746.

7. Лохов Ю. Н. Модификация поверхности оптических стекол при электронно-лучевой обработке в вакууме / Ю. Н. Лохов, А. А. Углов, Д. И. Чередниченко // Физика и химия обработки материалов. - 1997. - № 1. - С. 5662.

8. Лохов Ю. Н. Зарядовые процессы при электронно-лучевой модификации поверхности оптических стекол / Ю. Н. Лохов, В. Г. Сапогин, Д. И. Чередниченко // Изв. ВУЗов, Естественные науки. - 1995. - 91 с.

9. Применение финишной электронно-лучевой обработки для получения полупроводниковых и диэлектрических подложек для микро- и нанотехнологий / [О. А. Агеев, С. П. Авдеев, Д. И. Чередниченко, Е. Ю. Гусев] // Известия ТРТУ № 9. - 2006. - 116 с.

10. Рудь М. П. Визначення розподшу густини струму стр1чкового електронного потоку / Рудь М. П. // Вюник Черкаського державного технолопчного ушверситету. Спецвипуск. - 2007. - С. 148-150.

Одержано 09.10.2013

Канашевич Г.В. Возникновение напряжений в оптическом стекле от термоэлектрического воздействия электронного потока

Определен характер остаточных напряжений в поверхностном слое пластин из оптического стекла К8, которые возникают в результате термоэлектрического воздействия при электронно-лучевой обработке поверхности. Остаточные напряжения в поверхностном слое оптического стекла являються характерным

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013

55

результатом термоэлектрического действия потока электронов на материал (как при образовании жидкой фазы в поверхностном слое, так и без нее). Показано, что прочность модифицированного поверхностного слоя стекла зависит от режима охлаждения. Механизм остаточных напряжений использован для направленного отслаивания участков модифицированного поверхностного слоя в виде пластин необходимой формы.

Ключевые слова: электронно-лучевая обработка, оптическое и техническое стекло, поверхностный слой, шероховатость поверхности, качество поверхности, глубина проплавления, остаточные напряжения.

Kanashevich G. Tensions in optical glass from the thermoelectric impact of electronic flow

The character of the residual stress in the surface layer of the optical glass plates K8, which result from thermoelectric effects in electron beam processing of the surface was defined. Residual stresses in the surface layer of optical glass is characteristic result of the thermoelectric action on the material the electron beam (as in the formation of a liquid phase in the surface layer, both with and without it). It is shown that the strength of the modified surface layer of glass depends on the cooling mode. The mechanism of residual stresses is used for directed exfoliation of the surface-modified layer in the form ofplates required shapes.

Key words: electron beam processing, optical and technical glass, the surface layer, surface roughness, surface quality, depth of penetration, residual stresses.

УДК 532.64:541.1

Д-р техн. наук О. Г. Быковский, канд. техн. наук В. Е. Самойлов, д-р техн. наук В. Е. Ольшанецкий, А. Н. Лаптева, А. В. Бусов, Д. Я. Воронин

Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СМАЧИВАНИЯ ЕГО РАСПЛАВОМ

На специальной установке по определению поверхностных явлений методом лежащей капли проведены исследования смачивания алюминием А0, бронзой БрКмц3-1, сталями 100Х15М2Г2Р и 07Х20Н9Г7Тстальной Ст3 и титановой ВТ1-0 подложках с гладкой после прокатки и дробеструенной поверхностью. Установлено, что во всех случаях краевой угол смачивания расплавами подложек меньше на шероховатой поверхности по сравнению с гладкой. На титановой подложке в тех же комбинациях он меньше по сравнению со стальной вследствие большей химической активности титана и образования промежуточных соединений с меньшей вязкостью. Это связано со снижением поверхностной энергии контактной зоны из-за дрейфа атомов внедрения (прежде всего) к поверхности раздела.

Ключевые слова: шероховатость, краевой угол смачивания, адгезия, когезия, поверхностное натяжение, лежащая капля.

Введение

Нанесение плазменных покрытий на детали машин сопровождается воздействием высокотемпературной плазменно-металлической струи на твердую подложку, когда за несколько проходов, последовательно слой за слоем, формируется покрытие заданной толщины.

При этом температура струи значительно превышает температуру кипения наносимых материалов, что обуславливает не только высокую степень перегрева ее металлической составляющей, но и частичное превращение ее в парообразное состояние. В результате на подложке образуется псевдосплав, отличающийся

своими физико-механическими свойствами от литого сплава аналогичного состава.

Напыляемая поверхность с целью ее активирования часто подвергается предварительной механической обработке путем создания шероховатости различными способами (рис. 1).

Считается, что таким образом создаются условия для лучшего механического закрепления напыляемых частиц на поверхности, однако роль поверхностных явлений на границе раздела жидкая фаза - твердая подложка при плазменном напылении является более сложной.

© О. Г. Быковский, В. Е. Самойлов, В. Е. Ольшанецкий, А. Н. Лаптева, А. В. Бусов, Д. Я. Воронин, 2013

56